CADI磨球表層殘余應(yīng)力的測(cè)定

劉 爍，焦永樹，于文英，齊德瑄，趙雪勃，劉金海

(1.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300401；2.河北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300401)

1 引 言

球磨機(jī)中，旋轉(zhuǎn)的滾筒把磨球提升到一定高度，利用其拋落過(guò)程中的撞擊作用來(lái)粉碎物料。與此同時(shí)，磨球也會(huì)在反復(fù)撞擊的作用下發(fā)生磨耗、表層局部剝落和整體碎裂等形式的失效。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年消耗的磨球超過(guò)200萬(wàn)噸，直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)40億元[1]。尤其是近年來(lái)隨著球磨機(jī)規(guī)格向大型化發(fā)展，球磨機(jī)直徑不斷加大，磨球表層局部剝落和碎裂問(wèn)題愈發(fā)突出，急需找出原因，制定對(duì)策[2-3]。

針對(duì)碰撞磨球發(fā)生表層局部剝落的原因，國(guó)外學(xué)者從上世紀(jì)80年代初期就開(kāi)展了較為系統(tǒng)的研究。1983年，美國(guó)國(guó)土部地礦局[4]研制出可對(duì)磨球進(jìn)行重復(fù)碰撞實(shí)驗(yàn)的落球裝置，并對(duì)22種不同類型的64個(gè)磨球進(jìn)行了落球碰撞實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明，硬度超過(guò)HB670的堅(jiān)硬磨球，有的會(huì)在幾千次碰撞后發(fā)生整體碎裂，有的則會(huì)在超過(guò)50000次碰撞后出現(xiàn)嚴(yán)重的表層剝落；而硬度低于HB400的較軟磨球，一般不會(huì)發(fā)生整體碎裂或嚴(yán)重的表層剝落，而會(huì)在經(jīng)歷50000～100000次碰撞后，因碰撞疲勞而造成表面加工硬化層的脫落。1988年，Laird等[5]基于碰撞應(yīng)力和殘余應(yīng)力理論，利用落球試驗(yàn)和掃描電鏡等手段，對(duì)高鉻白口鑄鐵磨球因碰撞而導(dǎo)致的表層剝落機(jī)理進(jìn)行了分析，他們認(rèn)為，表層剝落一般是由裂紋萌生和擴(kuò)展而形成的，裂紋一般會(huì)在兩個(gè)區(qū)域產(chǎn)生，一是在碰撞區(qū)的邊界上由于拉應(yīng)力產(chǎn)生垂直于表面的裂紋，二是在亞表層由于交變的剪應(yīng)力產(chǎn)生平行于表面的裂紋。隨著碰撞次數(shù)的增加，亞表層的塑性變形逐漸累積，壓縮殘余應(yīng)力逐漸增加，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展直至發(fā)生剝落。

在國(guó)內(nèi)，系統(tǒng)研究磨球碰撞失效機(jī)理的工作始于上世紀(jì)80年代中期。1986年，尚可等[6]通過(guò)鉆孔法對(duì)經(jīng)過(guò)多次錘擊后磨球的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)高鉻鑄鐵磨球的殘余應(yīng)力遠(yuǎn)大于硼白口鑄鐵磨球中的殘余應(yīng)力，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)殘余奧氏體量小于7%時(shí)，碰撞導(dǎo)致的殘余應(yīng)力增加不明顯。1990年，饒啟昌等[7]采用落球式?jīng)_擊疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)4種材質(zhì)、9種組織狀態(tài)的磨球進(jìn)行了落球試驗(yàn)。他們認(rèn)為，在沖擊載荷反復(fù)作用下，磨球表層的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，導(dǎo)致表層產(chǎn)生壓應(yīng)力，而亞表層必然有拉應(yīng)力與之平衡。當(dāng)亞表層的拉應(yīng)力超過(guò)其強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)萌生裂紋，裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致片狀剝落。高鉻鑄鐵磨球中的殘余奧氏體量越少，抗沖擊疲勞剝落能力就越強(qiáng)。1993年，許根華等[8]通過(guò)掃描電鏡對(duì)落球試驗(yàn)后產(chǎn)生剝落的磨球進(jìn)行切塊觀察，認(rèn)為磨球最終的應(yīng)力狀態(tài)為：表層受壓，內(nèi)部受拉。而磨球表層塑性變形導(dǎo)致亞表層拉應(yīng)力增加，造成磨球表層片狀剝落。1997 年，邢書明等[9]利用落球試驗(yàn)裝置對(duì)鍛造白口鑄鐵磨球進(jìn)行了落球試驗(yàn)，并使用掃描電鏡對(duì)剝落面進(jìn)行觀察，結(jié)合殘余應(yīng)力理論，認(rèn)為表層剝落的微觀機(jī)理是首先在表層或亞表層的碳化物內(nèi)產(chǎn)生微觀裂紋，在沖擊載荷的反復(fù)作用下，這些裂紋的擴(kuò)展和貫通引起表層剝落。2009 年，袁允社等[10]應(yīng)用ProCAST 進(jìn)行數(shù)值仿真，并結(jié)合X射線衍射儀對(duì)熱處理后的磨球進(jìn)行殘余應(yīng)力分析，認(rèn)為在金屬型和砂型交界處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致脆性剝落。2011年，趙雪勃等[11]通過(guò)有限元軟件對(duì)落球試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)合仿真結(jié)果和落球試驗(yàn)中磨球的失效形式，認(rèn)為磨球發(fā)生表層剝落失效是因?yàn)闅堄鄳?yīng)力的累積誘發(fā)馬氏體相變和加工硬化導(dǎo)致。

隨著對(duì)磨球碰撞失效機(jī)理認(rèn)識(shí)的逐步深入，許多新型的磨球材料不斷涌現(xiàn)。2010 年，戴品強(qiáng)等[12]對(duì)奧-貝體球墨鑄鐵斷裂與疲勞特性的研究情況進(jìn)行了總結(jié)。后來(lái)，在奧鐵體球墨鑄鐵的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的含碳化物奧鐵體球墨鑄鐵(Carbidic Austempered Ductile Iron，CADI)，以其良好的耐磨性和韌性在磨球材料中得到廣泛應(yīng)用[13-15]。

目前，對(duì)于磨球碰撞失效機(jī)理的研究，主要還是通過(guò)試驗(yàn)觀察和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)導(dǎo)致碰撞磨球表層局部剝落的原因進(jìn)行推測(cè)，而對(duì)磨球殘余應(yīng)力的認(rèn)識(shí)仍停留在定性分析上。本研究基于平面應(yīng)力分析和殘余應(yīng)力理論，利用電測(cè)技術(shù)，對(duì)碰撞前、后CADI磨球表層的殘余應(yīng)力進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，得到了磨球表層殘余應(yīng)力的定量結(jié)果，加深了對(duì)磨球殘余應(yīng)力的認(rèn)識(shí)。對(duì)于揭示磨球碰撞失效的機(jī)理，提高磨球材料設(shè)計(jì)和制造工藝水平，具有一定的指導(dǎo)意義。

2 電 測(cè)

根據(jù)對(duì)構(gòu)件破壞程度的不同，殘余應(yīng)力的測(cè)試主要分為破壞性方法和非破壞性方法[16]。非破壞性方法使用設(shè)備復(fù)雜，對(duì)測(cè)試環(huán)境要求苛刻。破壞性方法中以“盲孔法”較為常用，即通過(guò)在被測(cè)構(gòu)件鉆孔的方法以釋放應(yīng)力。但本研究欲測(cè)的磨球表層硬度較高，鉆孔在技術(shù)上有一定困難，故采用電火花線切割法對(duì)磨球表層的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)定。

2.1 電測(cè)設(shè)計(jì)

為測(cè)量磨球表層的殘余應(yīng)力，需在磨球表面粘貼應(yīng)變花，再用線切割機(jī)床進(jìn)行四次線切割，將粘貼應(yīng)變花的磨球表層局部從球體中隔離開(kāi)來(lái)，使貼片局部形成“孤島”，從而使原來(lái)儲(chǔ)存在磨球表層附近的殘余應(yīng)力得到釋放。切割位線設(shè)計(jì)如圖1 所示，采用DH3815N-2應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，將測(cè)試信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄和處理，測(cè)試連線系統(tǒng)如圖2所示。

2.2 測(cè)球處理

為了比較CADI磨球碰撞次數(shù)、磨球Mn含量等因素對(duì)磨球表層殘余應(yīng)力的影響，擬對(duì)碰撞前、后20個(gè)磨球樣品的表層殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)定。由于磨球表層主應(yīng)力的方向并不確定，電測(cè)采用膠基三軸45°應(yīng)變花來(lái)進(jìn)行。應(yīng)變花的型號(hào)為BX120-2CA，電阻值為120±0.3Ω，靈敏系數(shù)為2.08±1%，柵長(zhǎng)為2mm，柵寬為1.2mm。

首先，對(duì)磨球表面欲貼片部位進(jìn)行打磨處理，并畫出定位線；然后，將應(yīng)變花粘貼在磨球表面，待粘結(jié)劑固化后再粘貼接線端子，并將應(yīng)變計(jì)引線和六芯屏蔽電纜線焊接在接線端子上；最后，為盡量減輕切割時(shí)冷卻液對(duì)應(yīng)變花的影響，在檢查貼片質(zhì)量完好之后，還要在應(yīng)變花上涂覆硅脂防護(hù)層[17-18]。硅脂凝固后的磨球如圖3所示。溫度補(bǔ)償球的貼片預(yù)處理方式與測(cè)量球相同。

圖1 切割位線示意圖Fig.1 Schematic of cutting

圖2 測(cè)試接線簡(jiǎn)圖Fig.2 Connection line of measuring

圖3 預(yù)處理后的磨球Fig.3 A grinding ball after initial treatment

2.3 電測(cè)過(guò)程

在進(jìn)行測(cè)量之前，再對(duì)貼片及防護(hù)質(zhì)量進(jìn)行檢查，以排除開(kāi)裂、脫焊、斷路和短路等。然后，利用特制夾具將待測(cè)磨球固定在線切割機(jī)上，使切割鉬絲盡量靠近貼片位置并與應(yīng)變花的0°邊平行。按圖2所示方式連接測(cè)試導(dǎo)線，啟動(dòng)測(cè)試程序，設(shè)定采樣時(shí)間間隔(取為5s)，便可開(kāi)機(jī)切割，并實(shí)時(shí)記錄釋放的應(yīng)變值。待切割到一定深度(本研究約為12mm)，應(yīng)變值基本不再變化時(shí)，停止切割，退出鉬絲。這樣就完成“第一刀”的切割。重復(fù)上述過(guò)程，依次完成第二刀、第三刀和第四刀的切割。

2.1 lncRNA-GAS5在乳腺癌組織及癌旁非腫瘤組織中的表達(dá)情況 與100例癌旁非腫瘤組織相比，100例乳腺癌組織中l(wèi)ncRNA GAS5的表達(dá)顯著降低[(0.72±0.24)vs.(1.54±0.53)]，差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=14.094，P<0.05)。

需要說(shuō)明的是電火花線切割本身也會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力。但已有的研究[19]表明，這種應(yīng)力只出現(xiàn)于切縫兩側(cè)0.2mm 的范圍內(nèi)，其應(yīng)力方向與切割面(垂直于磨球表面)平行。由于測(cè)試應(yīng)變片涂覆有硅脂保護(hù)層，致使切割面距應(yīng)變片的邊界為5～7mm，遠(yuǎn)大于0.2mm的影響范圍，且線切割產(chǎn)生的附加應(yīng)力的方向與釋放應(yīng)力的方向垂直。因此，電火花線切割基本上不會(huì)對(duì)應(yīng)變片的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。

3 結(jié)果與分析

在本研究進(jìn)行的磨球表層殘余應(yīng)力測(cè)試中共獲得18組有效測(cè)試數(shù)據(jù)。

3.1 碰撞后的磨球

圖4 某碰撞磨球釋放應(yīng)變隨切割時(shí)間變化曲線Fig.4 Released strain vs cutting time for an impacted grinding ball(a)first cutting；(b)second cutting；(c)third cutting；(d)fourth cutting

在切割過(guò)程中，隨著鉬絲鋸切割的不斷加深，切口附近的殘余應(yīng)力逐漸得到釋放，應(yīng)變花中三個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變值亦發(fā)生相應(yīng)的改變。圖4分別為某碰撞磨球在切割第一、二、三、四刀過(guò)程中記錄的釋放應(yīng)變—切割時(shí)間關(guān)系曲線。由這些曲線可以看出：

(1)在每刀切割過(guò)程中，應(yīng)變花中的三個(gè)應(yīng)變片總有兩個(gè)應(yīng)變片出現(xiàn)“正”的(伸長(zhǎng))線應(yīng)變，一個(gè)出現(xiàn)“負(fù)”的(縮短)線應(yīng)變，且“正”值線應(yīng)變比“負(fù)”值線應(yīng)變的絕對(duì)值要大得多。進(jìn)一步的觀察可以發(fā)現(xiàn)，在兩個(gè)“正”值線應(yīng)變中，較大的“正”值線應(yīng)變的貼片方向總是與切割方向垂直，如第一刀的切割方位與0°應(yīng)變片平行，但卻是90°應(yīng)變片釋放最大的“正”值線應(yīng)變(見(jiàn)圖4(a))；第三刀的切割方位與90°應(yīng)變片平行，而0°應(yīng)變片釋放最大的“正”值線應(yīng)變(見(jiàn)圖4(c))。第二刀和第四刀分別與第一刀和第三刀平行，其應(yīng)變釋放順序分別與第一刀和第三刀相同，只是釋放的應(yīng)變數(shù)值有顯著降低，不贅述。這說(shuō)明，在碰撞磨球的表層，其環(huán)向的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。隨著切割裂隙的形成，與裂隙垂直方向的壓應(yīng)力被釋放，表層纖維得以“舒展”，表現(xiàn)為該方向上呈現(xiàn)伸長(zhǎng)線應(yīng)變。

(2)從各應(yīng)變—時(shí)間曲線可以看出，在切割的初始階段，各應(yīng)變片的應(yīng)變(絕對(duì))值隨著切割時(shí)間(對(duì)應(yīng)著切割深度)的延長(zhǎng)而增加。隨后，各應(yīng)變曲線的增加趨勢(shì)逐漸變緩。這是由于隨著切割深度的逐漸增加，深部切口尖端釋放的應(yīng)力對(duì)表層應(yīng)變的影響逐漸減小。在切割末期，各應(yīng)變片的應(yīng)變值基本不再變化，說(shuō)明在切割深度處釋放的應(yīng)力對(duì)表層應(yīng)變的影響幾乎衰減殆盡。

(3)將各應(yīng)變片在四次切割中釋放的應(yīng)變值相加，即可認(rèn)為是該點(diǎn)沿應(yīng)變片粘貼方向的線應(yīng)變。再利用平面應(yīng)變分析和殘余應(yīng)力理論[20]：

便可得到測(cè)點(diǎn)的兩個(gè)主應(yīng)力。式中的E和μ分別為磨球的彈性模量和泊松比，已經(jīng)通過(guò)另外的拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)得。

表1 6個(gè)碰撞磨球測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)果Table 1 Data and results from six impacted grinding balls

3.2 未經(jīng)碰撞的磨球

為了測(cè)定未經(jīng)碰撞CADI磨球表層的殘余應(yīng)力，同樣采用第2節(jié)的測(cè)試方法，對(duì)未經(jīng)碰撞的磨球表層殘余應(yīng)力也進(jìn)行了測(cè)定。某球在四刀切割過(guò)程中記錄的應(yīng)變曲線如圖5所示。

從圖可知，首先，各刀釋放殘余應(yīng)力(應(yīng)變)的規(guī)律與碰撞后的磨球是一致的，即第一、二刀主要釋放一個(gè)方向的應(yīng)變，且第一刀釋放的應(yīng)變大于第二刀釋放的應(yīng)變；第三、四刀釋放另一個(gè)垂直方向應(yīng)變的情況也類似；其次，不同于碰撞后的磨球，在應(yīng)變花的三個(gè)應(yīng)變片中，應(yīng)變(絕對(duì))值較大的兩個(gè)應(yīng)變片均為“負(fù)”的線應(yīng)變，說(shuō)明該磨球表層的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力；最后，由于未經(jīng)碰撞磨球表層的殘余應(yīng)力數(shù)值相對(duì)較小，在切割過(guò)程中記錄的應(yīng)變曲線呈鋸齒狀，這反映了測(cè)試過(guò)程中各種干擾因素的影響，如冷卻液引起的溫度變化，線切割機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)引起的微小振動(dòng)等。

圖5 未經(jīng)碰撞磨球釋放應(yīng)變—切割時(shí)間曲線Fig.5 Released strain over cutting time for a unimpacted grinding ball(a)first cutting；(b)second cutting；(c)third cutting；(d)fourth cutting

表2為4個(gè)未經(jīng)碰撞磨球測(cè)量的表層釋放應(yīng)變及由此計(jì)算的主應(yīng)力值。由這些數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：在未經(jīng)碰撞的磨球中，其表層也存在著鑄造(熱處理)初始?xì)堄鄳?yīng)力，有的表層環(huán)向殘余應(yīng)力是拉應(yīng)力(如編號(hào)B4)，有的是壓應(yīng)力(如編號(hào)B1～B3)，但其應(yīng)力(絕對(duì))值較碰撞后的磨球要小得多。說(shuō)明在碰撞后磨球的殘余應(yīng)力中，主要是在碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的，初始?xì)堄鄳?yīng)力在最終的殘余應(yīng)力中只占很小一部分。

表2 4個(gè)未經(jīng)碰撞磨球測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)果Table 2 Data and results from four un-impacted grinding balls

4 結(jié) 論

1.本研究設(shè)計(jì)了利用電測(cè)技術(shù)和“切割法”對(duì)磨球表層殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)定的方法和流程。通過(guò)對(duì)CADI磨球碰撞前、后表層殘余應(yīng)力的測(cè)定，揭示了磨球表層殘余應(yīng)力的釋放規(guī)律，對(duì)磨球表層的殘余應(yīng)力有了定量的認(rèn)識(shí)。測(cè)定結(jié)果表明，在碰撞磨球的表層，存在著約500～900MPa的環(huán)向壓應(yīng)力。在多次隨機(jī)碰撞之后，表層環(huán)向壓應(yīng)力在各方向上大致呈均勻分布。

2.在碰撞次數(shù)20000次以內(nèi)時(shí)，殘余應(yīng)力隨著碰撞次數(shù)的增加而增加。而碰撞次數(shù)超過(guò)20000次后，殘余應(yīng)力增加得并不明顯。CADI磨球的鑄造(熱處理)初始?xì)堄鄳?yīng)力只占碰撞殘余應(yīng)力的很小一部分。

3.磨球碰撞后殘余應(yīng)力的大小與Mn含量存在著正相關(guān)關(guān)系。在某一范圍內(nèi)，Mn含量越高的磨球其殘余應(yīng)力越大。